Konstruera en enkel och kompakt UPS baserad på en superkondensator

En avbrottsfri strömförsörjning (UPS) är avgörande för tillämpningar som dataskydd i RAID-lagring (redundant array of independent disks), fordonstelemetri för säker drift och för medicintillförsel, t.ex. insulinpumpar inom sjukvården.

Det kan dock vara en utmatning att utforma en UPS, särskilt om utrymmet är begränsat. Dessutom krävs noggrann konstruktion för de många tillämpningar som inte kan tolerera energiflöden från lagringssystemet tillbaka till strömförsörjningen.

Konstruktionsutmaningarna kan förenklas genom att överväga ett integrerat tillvägagångssätt där flera omvandlare och laddningskretsar ersätts med en enda komponent. Detta integrerade tillvägagångssätt förenklar kretskonstruktionen och gör det enklare att garantera att ingen ström flyter tillbaka till nätaggregatet vid reservdrift.

Artikeln beskriver utmaningarna vid UPS-konstruktion och en konventionell lösning presenteras. Artikeln presenterar sedan ett förenklat, integrerat alternativ baserat på en buck/boost-switchingsregulator från Analog Devices.

Använda en superkondensator som energireservoar

Figur 1 visar ett konventionellt tillvägagångssätt för en UPS-konstruktion. UPS:en driver en likströmssensor på 24 V (V_DC) i detta exempel. Sensorkretsen behöver en inspänning på 3,3 och 5 V. UPS:en använder en linjär regulator för att ladda en superkondensator när systemspänningen är tillgänglig. Om systemspänningen sjunker, förstärks energin i kondensatorn till den nödvändiga matningsspänningens nivå med en stepup-regulator.

Bild 1: UPS:en laddar en superkondensator när systemspänningen är normal och utnyttjar energin när systemspänningen sjunker. (Bildkälla: Analog Devices)

Om matningen på 24 V även används för att driva andra delar av kretsen utöver sensorerna bör superkondensatorn vara inbyggd, så att den endast driver sensorkretsen och inte den övriga elektroniken som är kopplad till ledningen för 24 V. Diod "D" förhindrar att detta sker när kretsen är i reservdriftsläge.

Systemet fungerar bra men kan vara svårt att implementera eftersom det använder flera spänningsomvandlare. Det kan även vara en utmaning om utrymmet är begränsat. Figur 2 illustrerar ett alternativt tillvägagångssätt. Metoden använder en enda regulator för reservdrift för att ersätta de många regulatorerna i den krets som visades i figur 1, vilket sparar utrymme och förenklar konstruktionen.

Bild 2: En integrerad regulator för reservdrift gör UPS-konstruktionerna enklare och mer kompakta. (Bildkälla: Analog Devices)

En integrerad lösning för reservdrift

Det designkoncept som illustreras i figur 2 kan förverkligas med den switchade spänningsregulatorn MAX38889 från Analog Devices. Den är en flexibel och kompakt reservkraftsregulator för lagringskondensatorer eller kondensatorbanker för effektiv överföring av ström mellan superkondensatorerna och ett systems matningsspänning. Den har måtten 3 x 3 mm och ger 2,5 till 5,5 V (V_SYS) vid en maximal ström på 3 A (I_SYSMAX) med en superkondensators inspänning (V_CAP) på 0,5 till 5,5 V (figur 3). Regulatorns driftstemperaturområde är -40 °C till +125 °C.

Figur 3: För en UPS baserad på MAX38889 beror I_SYSMAX för en given V_SYS på_VCAP. (Bildkälla: Analog Devices)

När huvudströmförsörjningen finns tillgänglig och dess spänning ligger över det lägsta gränsvärdet för systemets strömförsörjning laddar regulatorn superkondensatorn med en maximal toppström på 3 A och en genomsnittlig induktionsström på 1,5 A. När superkondensatorn är fulladdad har den en viloström på bara 4 µA fast den är redo. Superkondensatorn måste vara fulladdad för att kunna möjliggöra reservkraftsdrift.

När huvudmatningen är bortkopplad och superkondensatorn är fulladdad förhindrar regulatorn att systemet sjunker under den inställda reservdriftspänningen för systemet (V_BACKUP). Det sker genom att öka superkondensatorns urladdningsspänning till V_SYS, den reglerade systemspänningen. Vid reservdrift använder MAX38889 ett adaptivt, tids- och strömbegränsat styrschema för pulsfrekvensmoduleringen (PFM).

Regulatorns externa stift gör det möjligt att styra olika inställningar, som t.ex. superkondensatorns maximala spänning (V_CAPMAX), V_SYS och induktorns maximala laddnings- och urladdningsström.

MAX38889 implementerar en True Shutdown-funktion som kopplar bort SYS från CAP och skyddar mot en SYS-kortslutning om V_CAP > V_SYS. Laddning och reservdrift kan inaktiveras genom att hålla ENC- respektive ENB-stiften låga (figur 4).

Figur 4: De externa stiften på MAX38889 möjliggör inställning av superkondensatorns maximala spänning V_CAPMAX, V_SYS och induktorns maximala laddnings- och urladdningsström; reservdriftssystemets status kan övervakas via flaggan RDY. (Bildkälla: Analog Devices)

Reservdriftssystemets status kan övervakas via två statusutgångar: flaggan RDY (status redo), som anger när superkondensatorn är laddad, och flaggan BKB (status för reservdrift), som anger att reservdriften är aktiv.

Val av superkondensator

Figur 5 visar en förenklad krets för UPS-tillämpningar baserad på MAX38889. V_CAPMAX vid laddning bestäms av resistornätet som driver stiftet FBCH. I exemplet garanterar resistorvärdena R1 = 1,82 MΩ, R2 = 402 kΩ och R3 = 499 kΩ att V_CAPMAX är inställt på 2,7 V. Superkondensatorn laddas med en toppström för induktorn på maximalt 3 A och 1,5 A i genomsnitt. Vid urladdning är den maximala induktorströmmen 3 A.

Bild 5: Här visas en förenklad krets för UPS-tillämpningar baserad på MAX38889. Superkondensatorn laddas med en toppström för induktorn på maximalt 3 A och 1,5 A i genomsnitt. Vid urladdning är den maximala induktorströmmen 3 A. (Bildkälla: Analog Devices)

Försiktighet krävs vid val av superkondensator för reservdrift. När den huvudsakliga strömkällan slutar fungera tillhandahålls ström till lasten av MAX38889 som arbetar i reservdrifts- eller boost-läge med superkondensatorn som energikälla. Den effekt som superkondensatorn kan leverera vid sin lägsta reglerade matningsspänning måste vara större än vad systemet kräver.

MAX38889 ger superkondensatorn en konstant effektbelastning, vilket medför att mindre ström dras från den när den arbetar i närheten av V_CAPMAX. Den ström som dras från superkondensatorn ökar dock vid urladdning (och spänningen sjunker) för att bibehålla konstant effekt till lasten. Den energi som krävs i reservdriftsläget är produkten av den kontinuerliga reservkraften (V_SYS x I_SYS) under den tid som reservdriften pågår (T_BACKUP).

Den energimängd i joule (J) som finns tillgänglig i superkondensatorn (C_SC) beräknas med ekvation 1:

Ekvation 1

Den energimängd som krävs för att slutföra reservdriften beräknas med hjälp av ekvation 2:

Ekvation 2

Där I_SYS är belastningsströmmen vid reservdrift.

Eftersom den energi som krävs för belastningen vid reservdriftshändelsen levereras av superkondensatorn, förutsatt en verkningsgrad vid omvandlingen (η) och givet en erforderlig T_BACKUP, bestäms det erforderliga C_SC-värdet i farad (F) med hjälp av ekvation 3:

Ekvation 3

Med tillämpningskretsen i figur 5 som exempel, och en systembelastning på 200 mA, en genomsnittlig verkningsgrad på 93 % och en tid för reservdrift på 10 sekunder, är det minsta värde som krävs för superkondensatorn:

Ekvation 4

Figur 6 visar kurvorna för laddning och urladdning för den tillämpningskrets som visas i figur 5.

Figur 6: Kurvor för laddning och urladdning för den tillämpningskrets som visas i figur 5. V_SYS = 3,6 V, V_CAP = 2,7 V, V_BACKUP = 3 V. (Bildkälla: Analog Devices)

Komma igång med ett utvärderingskort

Utvärderingskortet MAX38889AEVKIT# för utvärdering av kondensatorladdning och effekthantering är en flexibel krets för att utvärdera buck/boost-regulatorn för reservdrift och testa en UPS baserad på MAX38889 och en superkondensator. Externa komponenter möjliggör en stor mängd system- och superkondensatorspänningar, samt laddnings- och urladdningsströmmar.

Kortet innehåller tre shuntar: ENC (laddning aktiverad), ENB (reservdrift aktiverad) och LOAD (figur 7). Med ENC-shunten inställd i läge 1-2 aktiveras laddningen när V_SYS är högre än gränsvärdet för laddning. Med ENB-shunten inställd i läge 1-2 aktiveras reservdriften när V_SYS är lägre än gränsvärdet för reservdrift. Shunten LOAD kan ställas i läge 1-2 för att aktivera ett testläge, varmed en last på 4,02 Ω ansluts mellan V_SYS och jord för att simulera ett urladdningsscenario. Kortet återgår till normalt driftläge om shunten endast är ansluten till ett stift.

Figur 7: MAX38889AEVKIT tillhandahåller en flexibel krets för utvärdering av reservdriftsregulatorn MAX38889 med buck/boost och superkondensator. (Bildkälla: Analog Devices)

När huvudbatteriet ger mer än den lägsta systemspänning som krävs för laddning, laddar regulatorn MAX38889 superkondensatorn med en genomsnittlig ström på 1,5 A. Med V_FBCH = 0,5 V och med resistorerna R1 = 499 kΩ, R2 = 402 kΩ och R3 = 1,82 MΩ, är V_CAPMAX= 2,7 V.

Utvärderingssatsens V_BACKUP ställs in på 3 V med motstånden R5 (1,21 MΩ) och R6 (1,82 MΩ) vid V_FBS = 1,2 V. Det innebär att när huvudbatteriet tas bort och V_FBS sjunker till 1,2 V, drar MAX38889 ström från superkondensatorn och reglerar V_SYS till V_BACKUP.

MAX38889A EVKIT har en RDY-testpunkt för övervakning av superkondensatorns laddningsstatus. Testpunkten RDY är hög när spänningen på stiftet FBCR passerar gränsvärdet för spänningen FBCR på 0,5 V (anges av R1, R2 och R3). Det innebär att RDY blir hög när V_CAP överstiger 1,5 V. På samma sätt blir flaggan RDY låg, när superkondensatorn ger mindre än 1,5 V vid reservdrift.

Utvärderingssatsen har en BKB-testpunkt för övervakning av systemets reservdriftsstatus. BKB är låg när systemet ger reservkraft och är hög när systemet laddas eller är i viloläge.

En resistor (R4) ställer in den maximala induktorströmmen mellan ISET och jord (GND). Ett resistorvärde på 33 kΩ anger den maximala induktorströmmen till 3 A enligt formeln: Maximal laddningsström (I_{LX_CHG}) = 3 A x (33 kΩ/R4) (figur 8).

Figur 8: Här visas ett schema över utvärderingskortet MAX38889. Det drivs med en superkondensator på 11 F och har testpunkter för övervakning av V_CAP, V_SYS, RDY och BKB. (Bildkälla: Analog Devices)

Sammanfattning

En superkondensator kan användas som energilagringselement för en UPS. Konventionella UPS-topologier använder flera spänningsregulatorer som tar mycket plats, vilket gör dem svåra att konstruera. En inbyggd buck/boost-regulator underlättar dessa konstruktionsutmaningar genom att ersätta flera omvandlare och laddningskretsar med en enda kompakt komponent.